新一代2GR-FKS/FXS 3.5L V6直噴汽油機的開發

【日】　J. Matsui　H. Koyama　Y. Goto　H. Kawai

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設計開發

新一代2GR-FKS/FXS 3.5L V6直噴汽油機的開發

【日】J. MatsuiH. KoyamaY. GotoH. Kawai

為應對日趨嚴格的燃油經濟性和越來越高的排放目標，采用現階段發動機領域的新技術開發出新一代2GR-FKS/FXS發動機。基于2GR-FE發動機廣受好評的動力性和燃油經濟性，對2GR-FKS/FXS發動機的主要零部件進行了重新設計。開發的主要目標是： (1) 優異的動力性；(2) 最大限度地提高熱效率，全面符合各國燃油經濟性和排放法規要求的環保性能；(3) 大幅度減輕運動件的質量，提高V6發動機的響應性。為實現上述互相對立的目標，發動機開發時使用了改進型的D-4S燃油噴射系統，可選擇使用直接噴射和進氣道噴射，同時，還采用了其他先進技術，如帶中間位置鎖止機構的可變氣門正時技術和排氣歧管冷卻系統。

直噴汽油機阿特金森循環可變壓力燃油供給系統排氣歧管一體式氣缸蓋

0　前言

豐田汽車公司正在開發一系列經濟性高效燃燒(ESTEC)開發理念的發動機。本文介紹新開發的2GR-FKS/FXS型 3.5L V6發動機，在滿足全球客戶需求的同時，符合各國日趨嚴格的燃油經濟性和排放法規的要求。

大排量自然吸氣多缸發動機正逐漸被具有出色的燃油經濟性的小排量渦輪增壓發動機取代。然而，多缸發動機固有的平順性和直接油門響應性仍強烈吸引著一些用戶，尤其是北美用戶。

新一代發動機基于2004年量產的2GR-FE/FSE發動機開發而來，使用豐田獨有的D-4S燃油噴射系統和增強型混合動力車專用的阿特金森循環技術。開發目標是在最大限度地減小阿特金森循環帶來的不利影響的同時，實現出色的燃油經濟性和優異的動力性。通過對整個系列發動機約550個零部件進行重新設計，包括氣缸蓋和缸體，實現了開發目標。

1　開發理念

開發1款與小型化渦輪增壓發動機環保性相媲美、具有持久吸引力，同時又能最大發揮出V6發動機優點的發動機是此次開發的理念。此理念要達到如下目標： (1) 環保性能全面符合各國燃油經濟性和排放法規的要求；(2) 優異的動力性；(3) 體現V6自然吸氣發動機的平順性和動力響應性；(4) 在GR全系列發動機中采用具有高效率的3.5L排量，同時開發的發動機可用于前驅車、后驅車、乘用車、商用車、傳統車和混合動力車等車型。

表1列出了系列發動機的主要技術參數，圖1是發動機橫剖面圖。

表1　發動機系列和技術參數

圖1　發動機橫剖面圖

2　主要特征

2.1提高燃油經濟性的措施

2.1.1阿特金森循環

豐田在混合動力車(HV)發動機上采用阿特金森循環已經有很長的歷史。盡管采用阿特金森循環和高膨脹比的發動機可以降低排氣熱損失，但這種對策存在以下問題： (1) 發動機進氣量少導致功率低；(2) 低溫下發動機起動困難。

混合動力車采用電機來解決上述問題。傳統發動機做以下改進也可采用阿特金森循環： (1) 大包角的進氣凸輪軸；(2) 帶中間位置鎖止機構且擴大作動角的液壓可變氣門正時機構(VVT)；(3) 可變進氣系統；(4) 增強活塞冷卻。

2.1.2帶中間位置鎖止機構的液壓VVT

在采用阿特金森循環提高低負荷工況燃油經濟性的同時，對液壓可變氣門正時進行以下改進，可保證發動機全負荷工況的動力性和發動機的起動性： (1) 采用VVT-iW；(2) 增加鎖止機構，確保發動機停機后重新起動時的氣門正時位于最優的中間位置(圖2)；(3) 采用正開口的VVT機油控制閥來降低機油路中的壓力損失(圖3)。

上述措施通過采用阿特金森循環來提高燃油經濟性，同時確保發動機的低溫起動性和改善油門響應。

圖2　VVT-iW系統

圖3　中置式機油控制閥橫剖面圖和響應曲線

2.1.3燃油供給系統

原D-4S燃油噴射系統只在部分舊款發動機上使用，而新款發動機全系列全部采用專門開發的第4代新D-4S燃油噴射系統。

采用可變壓力燃油供給系統來提高燃油經濟性，該系統的配置如圖4所示。與常規恒壓系統不同，新系統將燃油壓力控制在最優水平，以降低輸油泵的功耗。

圖4　可變壓力燃油供給系統

新設計的緊湊型高壓油泵裝有2個高性能的脈動阻尼器，以吸收3.5L發動機高功率工況產生的燃油脈動。對高壓油泵的形狀優化，使脈動衰減器可以采用較薄的材料。圖5示出了高壓油泵的橫剖面。

圖5　高壓燃油泵

2.1.4高溫熱管理

為了降低發動機摩擦和冷卻損失，理想的方法是將節溫器閥門設置在較高的溫度下開啟，但這會在發動機高負荷區域引起爆燃導致功率降低。為此，采用裝有加熱器、閥門開啟溫度為87℃的可調溫控節溫器。圖6示出了這種節溫器的結構布置，圖7示出了其工作原理圖。這種節溫器通過降低摩擦和冷卻損失來提高中、低負荷區域的燃油經濟性，同時在具有與高負荷區域采用常規熱管理等級的功率。

圖6　可調溫控節溫器

圖7　可調溫控節溫器工作原理

2.2改善排放性能的措施

采用排氣歧管一體式氣缸蓋，水套分為上、下兩層。圖8示出了排氣歧管的形狀，圖9示出了排氣歧管和水套的布置。這種結構可將排氣溫度控制在目標范圍內，使催化器較早起燃，確保在高負荷區域的可靠性。

圖8　排氣歧管一體式氣缸蓋

圖9　排氣歧管和水套

2.3提高功率的措施

通過減輕活塞和連桿的質量，以及曲軸相應的平衡重的質量，提高了發動機中運動件的轉速，以進一步增強發動機的性能。

通過計算機輔助工程(CAE)應力分析和溫度場分布的詳細測量，對活塞的鑄造工藝進行了改進。這些方法使得活塞質量減輕了10%，最大限度地減薄了活塞環岸背面的過厚的結構。圖10比較了傳統活塞和新開發活塞的形狀。

圖10　活塞橫剖面圖

通過采用較薄的桿身截面，使連桿質量減輕3%。這是通過改變粉末鍛造配料、提高屈服強度來實現的。

減輕了曲軸往復部分質量，這樣就可以采用較輕的平衡重。這些措施使得曲軸的質量和轉動慣量分別減輕了3%和6%。

2.4降低噪聲和振動的措施

發動機零部件高速旋轉產生的噪聲需要采用有效的對策加以消除。其措施如下： (1) 對諧振器的容積和布局進行優化，實現噪聲水平隨著發動機轉速和負荷線性變化；(2) 對發動機罩上聚氨基甲酸乙酯的形狀和位置進行優化，限制高頻噪聲，同時改善發動機燃燒的1～3階分量，從而產生目標的發動機高轉速音質；(3) 通過減輕運動件的質量，最大限度地減小振動，降低發動機鏈條產生的機械噪聲，從而使發動機聲音清脆悅耳。

2.5其他措施

采用塑料缸蓋罩、機油集濾器和冷卻液管路。通過采用滑模注射(DSI)成型工藝并將需要焊接的曲面集成到零件中，氣缸排之間的墊片也可采用塑料材質。

3　性能

3.1燃油經濟性

通過改善燃油經濟性和熱效率的措施，使發動機最低燃油消耗率達到224g/(kW·h)、熱效率達到38%。圖11是制動燃油消耗率(BSFC)的特性圖。高負荷下的高燃油效率區域得以擴大主要通過提高壓縮比，低負荷下的高燃油效率區域得以擴大主要通過采用阿特金森循環。因此，該系列發動機能夠提高從重型商用車、多功能運動車型(SUV)到輕型轎車等寬廣范圍用途車輛的燃油經濟性。

圖11　燃油消耗率特征圖

3.2動力性

由于采用上述各種先進技術和工藝改進，3.5L V6發動機具有優異的動力性。圖12是1款前驅SUV配裝的發動機的性能曲線。

圖12　發動機性能(配裝SUV)

這款發動機采用聲控可變進氣歧管長度進氣系統(ACIS)來抵消SUV車重帶來的不利影響。此系統避免了發動機在高轉速時扭矩的降低，同時增強轉速2400r/min以上常規工況范圍的扭矩。

圖13是配裝的發動機動力后驅轎車性能曲線。由于這種轎車的質量較輕，此發動機不采用ACIS就可以降低進氣壓力損失。發動機最大轉速是6600r/min，是該系列發動機中最高的。這使車輛具有那種動態加速的推背感，特別適合用于高級轎車。

圖13　發動機性能(配裝轎車)

3.3排放性能

這些發動機符合世界范圍內日趨嚴格的排放法規，包括北美的ULEV 70(適用于傳統發動機)和SULEV 30(適用于混合動力發動機)、日本的J-SULEV、歐洲的歐6排放法規。對催化器進行微小改動，可以保證這些發動機滿足未來更嚴格的排放法規。

4　結語

綜上所述，新3.5L 6缸ESTEC 2GR-FKS/FXS發動機大量采用先進技術，因此這些發動機可以全面符合各國日趨嚴格的排放法規，同時又保證了用戶駕駛愉悅感的動力性。這次發動機開發還采用了1個通用框架結構，可以將4個獨立的發動機系列定義為1個單一的發動機系列。這種方法也可以使得每款發動機的試驗合并，便于各種車輛平臺采用該系列發動機。利用這些發動機在特征上的優勢，豐田計劃將此款發動機應用在全球眾多的車型上。

2016-01-23)